对深埋隧道外水压力问题的几点讨论
摘要:阅读了有关深埋隧道外水压力文章后,对其中的几个问题提出自己的见解。关键词:外水压力;边界条件;静水压力;概念模型
1 关于隧道壁的边界条件
“随笔”针对“原文”指出:“为什么将属于预测变量的隧道涌水量(该量可以通过模拟获得)按经验公式作为边界条件预先给定呢?”而“答复”对此坚持原有意见并进一步表示:“隧道的预设计阶段,要计算衬砌外水压力,为此必须确定隧道开挖后围岩中的水位,要采用数值方法计算围岩中的水位必须确定边界条件,而富水区隧道在开挖后,往往有涌、突水现象产生,此时隧道洞壁应处理为流量边界。”陈崇希老师在地下水数值模拟“防止模拟失真,提高仿真性”的讲座中,特别强调:要正确地刻画边界条件。由于边界条件处理不当导致模拟失真的实例,不乏其事[4],边界条件不能随意地给定。如果边界上水头已知,则取第一类边界条件;若边界上流量(流速)已知,则取第二类边界条件,这是刻画边界条件的原则。隧道预设计阶段,隧道壁边界处的什么运动要素是已知的呢?在隧道壁面渗水的条件下,其流量是未知的;而隧道壁处的水压是已知的(ｐ=0)即水头是已知的。隧道洞壁只有在隧道是隔水的或衬砌是隔水的条件下,流量等于零,才是已知的。这就是“随笔”对隧道预设计阶段建议的隧道壁内边界条件选取的两个类型(方程3和4)。并非隧道有渗水,就“隧道洞壁应处理为流量边界”[3]。这个“应”,是“不应”的。如果硬将一个人为给定的流量作为第二类边界,可能会导致模拟结果的失真。至于“原文”中计算实例的结果是否会失真,可通过其数值模拟结果计算出的隧道洞壁各点的水头值是否满足水压等于零(大气压力)这个约束条件来检查。至于隧道预设计时需要隧道涌水量的预测值,这一点“随笔”已指出:隧道涌水量属于预测变量,“该量可以通过模拟获得”[2]。
2 关于“原文”中的计算实例
“随笔”针对“原文”的实例未对水文地质条件做基本的介绍分析,就给出数学模型的情况指出:“一个实际问题的数值模拟,极其重要的一步是建立一个符合当地水文地质条件和向集水建筑物流动基本特征的地下水概念模型。为此应当对地层的产状、岩性、构造以及地下水的补径排作必要的分析,要避免未作水文地质条件基本分析就摆出数学模型。”[2]在“答复”的补充说明中也仅仅给出其所建立的概念模型,即:“计算区域承压含水层,顶、底为隔水边界,两侧面为由沟通浅层水的大型导水平移断层(走向与隧道近于平行,产状近于直立)概化为定水头边界。”仍未对基本的水文地质条件做必要的介绍、分析。作为读者,更有兴趣的是什么样的水文地质条件可以概化成上述的概念模型,因为这是读者能从中吸取养分的主要部分之一,也是“防止模拟失真”极为关键的一步。笔者读了“二文”[1,3],至今还不知道实例中隧道围岩的地层岩性、地层产状、构造及地下水的补径排等(哪怕是区域性的)基本的条件,如此怎么能把握概念模型的正确建立呢?特别要指出的是“两侧面为由沟通浅层水的大型导水平移断层(走向与隧道近于平行,产状近于直立)概化为定水头边界。”这两个“定水头边界”的水头是如何确定的?什么条件使它能“定水头”?这是建模过程中应该论证的。退一步来说,若上述概念模型的边界条件成立,又为什么可以采用“原文”中的流量计算公式(1)来近似刻画隧道初期的最大涌水量呢?
3 关于“静水压力”
的确,“原文”没有提及“静水压力”这个术语,但是“随笔”引用“原文”关于确定隧道外水压力目前一般的做法是“查明地下洞室地区的地下水位,乘以折减系数对水头进行折减,然后根据折减后的水头计算外水压力”[1]其中洞室开挖前地下洞室地区的地下水位至洞室间水柱形成的压力,就是其静水压力;“乘以折减系数对水头进行折减,然后根据折减后的水头计算外水压力”[1],前者是洞室开挖前的,后者是开挖后的,不知是否为此理解。“答复”表示:“正因为‘地下水流动有水头损失,用静水压力作为隧道衬砌出的水压力是不妥’才采用作用系数的方法对静水压力数值进行修正。”[3]这里表述的与“原文”说的是两回事。先不讨论这种修正是否合理,但不能把开挖洞室前后的修正相混淆。为了搞清此问题,笔者查阅了“答复”中引用的文献。晏同珍指出“外水压力计算,…,一般是按最高地下水位到洞室拱顶内壁的垂直距离乘以水重度。但工程实践上发现,外水压力并非完全与水位至拱顶的水柱高相符合,往往偏小,故设计时是按具体的水文地质条件将水柱垂直高乘以小于1的折减系数。”[5]可见这里指的正是“静水压力”。邹成杰阐述到“地下洞室地区的地下水位乘以某一折减系数,即外水压力值。”[6]指的是开挖洞室后的水压。通过此次阅读,笔者深深地体会到,充分、正确利用水文地质信息,正确建立概念模型是应用数值模拟解决实际问题极关键的一步。同时使笔者深有体会:深埋隧道水文地质勘查,虽然资料偏少,但区域水文地质测绘工作总是应该进行的,也会有“非常有限的深孔资料”[3],应该说地质剖面是清楚或基本清楚的,钻进过程中总是会测地下水位(分层的或混合的),可能还会做测井、抽水(压水)试验等,这些对于一个实际的数值模拟问题都是十分宝贵的,在建立概念模型(含边界条件)和参数的确定上应加以充分的利用。在此感谢陈崇希老师在阅读过程中悉心指导。
参考文献:
[1] 王建秀,杨立中,何静.深埋隧道外水压力计算的解析———数值法[Ｊ].水文地质工程地质,2002(3):17-19
[2] 陈崇希,刘文波,彭涛.确定隧道外水压力的地下水流模型———读《深埋隧道外水压力计算的解析-数值法》一文随笔[Ｊ].水文地质工程地质,2002,29(5):62-64
[3] 王建秀.深埋隧道外水压力计算中几个问题的探讨[Ｊ].水文地质工程地质,2003,30(1):95-97
[4] 陈崇希,裴顺平.地下水开采—地面沉降数值模拟及防止对策研究[Ｍ].武汉:中国地质大学出版社,2001 86.
[5] 晏同珍.水文工程地质与环境保护[Ｍ].武汉:中国地质大学出版社,1994,195-196
[6] 邹成杰.水利水电岩溶工程地质[Ｍ].北京:水利水电出版社,1994,299-301
